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- 수정란 세포 대신 개별 줄기 세포에서 "시험관" 마우스 배아를 배양하는 데 처음으로 성공
- 최초로 배아 발달의 중요한 단계가 수정란 없이 자궁 밖에서 완료된 것

줄기세포에서 얻은 최초의 시험관 배아
장기 전구체와 심장 박동으로 성장한 합성 마우스 배아

난자 및 자궁이 없는 경우:
두 연구팀이 수정란 세포 대신 개별 줄기 세포에서 "시험관"에 있는 마우스 배아를 배양하는 데 처음으로 성공했다. 줄기 세포 배양은 태반과 배아의 전구체인 난황낭을 형성했다. 이것은 심장 세포와 장과 뇌를 포함한 모든 기관의 전구체를 뛸 때까지 계속 발전했다. 최초로 배아 발달의 중요한 단계가 수정란 없이 자궁 밖에서 완료된 것이다. 

▲ 왼쪽에는 줄기 세포에서 자란 마우스 배아가 있다. 이는 배양 용기의 단일 세포에서 생성됐다. 오른쪽은 비교를 위해 태어난 지 8일 된 천연 쥐 배아다. © M. Zernicka-Goetz

단 하나의 수정된 세포에서 새로운 생명이 출현하는 것은 자연의 기적이며 믿을 수 없을 정도로 복잡한 과정이다. 수많은 유전적, 화학적, 기계적 신호는 초기 배아 발달 동안 형성된 세포가 올바른 위치로 이동하고 필요한 조직 유형으로 분화하도록 한다.
복잡한 프로세스

그러나 배아가 발달하고 둥지를 틀 수 있으려면 수정란 세포가 배아의 세포뿐만 아니라 처음 며칠 동안 배아에 영양을 공급하는 난황낭과 나중에 배아에 영양을 공급하는 태반을 형성해야 한다. 모체 조직과 함께 공급을 인수한다. 이 세 가지 주요 세포 유형(하나는 배아 및 두 개는 배아 외)으로 분화는 수정 후 며칠 후에 배반포 단계에서 발생한다.

이 단계는 배아의 낭배형성으로 배아층이 형성되고 나중에는 뇌와 척수가 발생하는 신경관을 포함한 첫 번째 기관 전구체가 형성된다. 선임 저자인 캠브리지 대학과 캘리포니아 공과 대학의 Magdalena Zernicka-Goetz는 "이 기간은 임신에 뒤따르는 다른 모든 일의 무대가 된다. 여기서 문제가 발생하면 임신이 실패한다"라고 설명했다.

수정란 대신 줄기세포

의학이 이 초기 배아 발달을 연구할 수 있는 것이 훨씬 더 중요하다. 예를 들어 실험실에서 이 과정을 재현하는 것이다. 수정된 난자 세포가 발달하는 것을 지켜보는 것이 아니라 합성 배아로 과정을 재구성해 보면 조절 메커니즘을 가장 잘 확인할 수 있다. 이것은 수정에 의해 생성되는 것이 아니라 개별 줄기 세포에서 발달을 시작한다.

실험실의 두 연구팀이 줄기세포로부터 이러한 인공 배아를 배양하는 데 처음으로 성공했다. 출발점은 이 목적을 위해 특별히 개발된 회전 배양 용기에 함께 모인 3가지 유형의 마우스 줄기 세포였다. 특정 유전자와 특별히 조정된 배양 배지를 켜서 연구자들은 자궁의 자연적인 영향을 모방하고 세포가 두 개의 배아외 조직과 배아로 발달하도록 했다. 

▲ 위장에서 장기 및 첫 번째 신체 부분의 형성까지 배아의 발달. © Anastasiia Krasavina / 게티 이미지

난황낭과 태반이 있는 배아

성공적으로:
처음에 무질서한 줄기 세포는 자연적인 마우스 배아와 동일한 단계를 거쳤다. 그들은 포배, 난황 및 태반의 전구체를 형성했다. 약 5일 후, 몸 축이 보이고 위배양이 시작되었다.
Zernicka-Goetz의 팀은 "이 단계에서 배아는 천연 가스룰라와 유사했으며 크기만 조금 더 다양했다"라고 보고했다.

더 자세한 분석은 배아외 세포가 이 초기 단계에서 과정을 설정하는 것으로 나타났다. 배아 세포는 추가 발달 및 분화를 형성하는 중요한 화학적 및 기계적 신호를 제공한다. Zernicka-Goetz는 "인간 생활의 이 단계는 여전히 너무 신비해서 지금 그것을 관찰하는 것이 정말 환상적이다"며 "우리는 줄기 세포 사이에 어떤 대화가 일어나야 하고 무엇이 잘못될 수 있는지 본다"라고 말했다.

뇌, 심장 및 전구 기관

더 중요한 것은 두 연구팀이 처음으로 장기 형성이 시작될 때까지 합성 배아를 성장시키는 데 성공했다는 점이다. Zernicka-Goetz는 "우리의 생쥐 배아 모델은 뇌뿐만 아니라 뛰는 심장과 신체를 구성하는 다른 모든 구성 요소를 발달시켰다"고 보고했다. 8일째 되는 날, 전체 발달 시간의 거의 절반에 해당하는 배아는 장기와 척추, 소화관 및 뇌의 모든 부분에 대한 소인을 가지고 있었다. 생식 세포의 선조조차도 배아의 뒷부분에서 발달했다.

"우리가 여기까지 왔다는 것이 놀랍다"라고 연구 리더는 말한다. 10년 이상 동안 이러한 배아 발달 단계를 재현하려는 시도가 있어왔고 이제 성공했다. 유전자 활동과 세포 대사에 대한 연구에 따르면 줄기 세포에서 자란 배아는 자연 모델과 거의 일치했다. 일부 배아 외 세포 유형에서는 약간의 차이만 있었다.

이스라엘 Weizman Institute of Science의 Jacob Hann이 이끄는 두 번째 팀은 "이러한 차이점에도 불구하고 8일 된 배아는 자연적인 배아와 매우 유사하다“고 설명했다.

▲ 인공 및 천연 마우스 배아의 비교 © Amadei and Handford

"무궁무진한 과학적 잠재력“

연구원들에 따르면, 이러한 실험을 통해 얻은 지식은 초기 배아 발달에 대한 중요한 통찰력을 제공하고 이제 기형의 원인을 조사하는 것과 같은 새로운 가능성을 열어준다.
Zernicka-Goetz는 "줄기 세포 배아는 일반적으로 자궁에서 일어나는 발달 단계에 접근할 수 있도록 해주기 때문에 중요하다"라고 말한다. "예를 들어, 모델 배아는 이제 배아 발달에서 그들의 역할을 이해하기 위해 개별 유전자를 조작할 수 있게 해준다.“

연구에 참여하지 않은 연구원들도 줄기 세포 배아에서 중요한 돌파구를 발견했다. “합성배아에 대한 두 연구 모두 엄청난 과학적 잠재력을 가지고 있습니다. 가장 명백한 것은 초기 배아에 대한 동물 실험의 대안으로 합성 배아를 사용하는 것이다”라고 슐레스비히 홀슈타인 대학 병원의 인간 유전학자 Malte Spielmann은 말했다. 뮌스터에 있는 막스 플랑크 분자 생물의학 연구소(Max Planck Institute for Molecular Biomedicine)의 미셸 보이아니(Michele Boiani)는 "쥐에서 얻은 이러한 결과는 숨이 막힐 정도"라고 했다.

...하지만 윤리적인 질문도

하지만 지금까지 생쥐 배아에만 사용되던 방법에는 윤리적 폭발물도 포함돼 있다. 두 연구팀은 이미 인간 배아에 대한 절차를 조정하는 작업을 하고 있다. 이를 통해 난자, 정자 또는 자궁 없이 줄기 세포만으로 인간 배아를 성장시킬 수 있다. Zernicka-Goetz와 그녀의 팀은 예를 들어 기증자 장기의 표적 육종을 위해 이것에서 기회를 보고 있지만 다른 사람들은 윤리적 합병증을 두려워한다.

"(인간) 기관 형성은 자궁에 비해 시험관에서 얼마나 멀리 갈 수 있을까? 그것이 저의 주요 질문이자 관심사다”라고 Boiani는 말했다. 예를 들어, 줄기 세포로만 재구성된 합성 배아는 많은 사람들에게 윤리적으로 용납될 수 없는 악몽인 인간의 복제를 가능하게 할 수 있다. 배아의 유전적 조작과 이에 따른 생식계통의 개입도 이러한 방식으로 더 쉬워질 수 있다. 그러나 이것이 달성되기 전에 많은 방법론적 장애물이 해결되어야 한다.
(Nature, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-05246-3; Cell, 2022 doi: 10.1016/j.cell.2022.07.028)
출처: University of Cambridge, California Institute of Technology, Science Media Center

[더사이언스플러스=문광주 기자] "Green Soul, Beautiful Science"

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